ELEKTRONIKA MA

piackepes

„Mikor Bill Gates a Windowszal színre lépett, már sorban álltak érte Amerikában, de még többségben voltak azok, akik nem fogták fel a szoftveripar jelentőségét. Nyilván ő maga sem tudta előre mi lesz a vége. … A forradalmak paradoxonokkal járnak, és ez sem kivétel. … A számítógép és az internet kezeléséhez már semmi ész és képzettség nem kell, így aztán tényleg nem lesz a gyerekből Bill Gates csupán attól, ha a monitor előtt tölti az életét.” [Tóta W. Árpád HVG 2015 32. szám].

Mi is az, ami a mai napig mégis mozgató rugója a fejlődésnek?

Egyre több számítástechnikai eszköz vesz körül bennünket, melyek nagy része beépül használati tárgyainkba. Az összes chip több mint 90%-át még csak nem is processzornak nevezik. Ezek a mikrovezérlők, az ASIC áramkörök és az FPGA-k, a beágyazott rendszerek technikai alapelemei, melyek megtalálhatók a háztartási készülékekben éppúgy, mint az autókban, gépekben, vagy a gyárak termelő berendezéseiben. A beágyazott rendszerek a kapcsolatot külvilággal érzékelőik segítségével tartják fenn, a külvilágból érkező információk alapján végzik a feladatukat, mely lehet a környezetük megfigyelése (mérése), vagy beavatkozás a környezetük bizonyos tulajdonságaiba (vezérlése).

Egy beágyazott rendszer nem csupán egy intelligens chipet tartalmaz, hanem a működéshez szükséges hardver elemeket is. Természetesen leegyszerűsödik a hardver tervezése, mivel a munka nagy részét a chip végzi. Bonyolult számítási feladatokra nem kell céláramkört tervezni, elég egy jó program a mikrovezérlőbe és már készen is vagyunk. Na azért nem ilyen egyszerű a helyzet! Ahhoz, hogy egy beágyazott rendszer jól működjön, a teljes áramkörnek megbízhatónak kell lennie. Gondoljunk csak a stabil tápellátásra, a különböző elektromágneses és hálózati zavarok kiszűrésére, a hibátlanul megtervezett, elkészített nyomtatott áramkörre, az alkatrészek szakszerű beforrasztására, stb.

A beágyazott rendszer megtervezésénél először el kell dönteni milyen chip-et érdemes használni. Miután kiválasztottuk az adott feladathoz legalkalmasabb és árban is megfelelő hardver elemet, következhet az áramkör megtervezése. Az alkatrész adatlapok nagy segítséget jelentenek a tervezés során, mivel sok tipikus alkalmazási példát mutatnak, melyeket szinte változtatás nélkül, vagy csekély áttervezés után átültethetünk a mi áramkörünkbe. Nem kell minden esetben újat kitalálni ahhoz, hogy jót alkossunk.

Milyen chipet választhatunk?

Egy bonyolult feladat megoldására leghatékonyabb az ASIC áramkör (Application Integrated Circuit – alkalmazás specifikus integrált áramkör) alkalmazása. Ezek az IC-k olyan belső kialakításúak, hogy az adott feladatot a legnagyobb hatékonysággal tudják végrehajtani. Tartalmazhatnak analóg és digitális áramköröket is. Nagy hátrányuk, hogy előállításuk igen drága, mivel speciális hardver és szoftverkörnyezetet igényelnek, ezért csak nagy szériájú termékek esetén költséghatékony az alkalmazásuk.

Kis tételszám esetén az FPGA használata a célszerű. Az FPGA áramkörök belső kialakítását a fejlesztő határozza meg. Hardverleíró nyelv segítségével (pl. VHDL), egy programkódhoz hasonló formában kell megadni a hardver működésének a leírását. A programból a fordító egy olyan állományt készít, mely az FPGA-ba töltve kialakítja a belső hardverelemek közti kapcsolatot. Ezek a belső hardverelemek az úgynevezett logikai blokkok, melyek a külvilághoz az Input/Output (be/kimeneti) blokkokon keresztül kapcsolódnak. Egy FPGA több tízezer logikai blokkot tartalmaz, melyek felhasználásával összetett digitális áramkörök is könnyen kialakíthatók. Az FPGA nagy előnye, hogy ténylegesen képes az egyes folyamatok párhuzamos futtatására, mivel nem egy központi CPU vezérli a működést, melyen osztozni kell az egyes folyamatoknak, hanem hardveresen vannak kialakítva a folyamatok végrehajtására alkalmas áramkörök. Szoftveres fejlesztőeszközként számos programcsomag áll rendelkezésre, de a Xilinx cég, hogy megkönnyítse az FPGA-ra történő fejlesztést egy ingyenes programcsomagot a Xilinx ISE WebPACK fejlesztőeszközt biztosít ehhez számunkra.

A mikrovezérlőket tekinthetjük olyan mikroszámítógépnek, melyben egy integrált áramkör tartalmazza a CPU-t, a memóriákat, valamint a belső perifériákat és a periféria illesztő áramköröket. A mikrovezérlő az IC lábain keresztül kapcsolódik a külvilághoz, melyek analóg vagy digitális jelek küldésére, fogadására alkalmasak. A kialakított speciális moduljainak köszönhetően számos kommunikációs protokollt is támogatnak (SPI, IIC, USART, USB, CAN, TCP/IP). A Microchip által gyártott PIC mikrovezérlők nagyon széles választékban állnak rendelkezésre. A 8, 16 és 32 bites mikrovezérlők közül bármilyen alkalmazásra lehet megfelelő típust találni. A PIC mikrovezérlők Harvard architektúrájú eszközök, mely azt jelenti, hogy külön memória áll rendelkezésre az adatoknak és a programkódnak. Mivel a mikrovezérlőkben a működést egy CPU vezérli, ezért ezeket az eszközöket programozni kell. Programozáshoz legegyszerűbb az Assembly nyelv használata, ugyanis ez áll legközelebb a mikrovezérlő hardverének működéséhez. Optimális, gyors programkód készíthető vele, mivel közvetlenül a mikrovezérlő adatmemóriájában levő regiszterekre hivatkoznak az utasítások. A lefordított programkód egy programozó hardver segítségével közvetlenül letölthető a mikrovezérlőbe, mely ezután már önálló működésre képes. Természetesen számos magas szintű programnyelv is támogatja a mikrovezérlők programozását, ilyenek a C, Pascal, Basic. A Microchip ingyenesen biztosítja a mikrovezérlők programfejlesztéséhez az MPLab szoftvercsomagot, mely a fordításon kívül a programozási lehetőséget is tartalmazza. Kisebb kódok (2k szó) készítéséhez használhatók még a MikroElektronika által forgalmazott fejlesztő eszközök.

Fontos még megemlíteni az úgynevezett hibrid megoldásokat, melyek az újrakonfigurálható I/O perifériákat FPGA segítségével valósítják meg, a művelet-végrehajtást és a gyors kommunikációt pedig CPU-val, de ne a hagyományos értelemben vett processzorra gondoljunk. Ez a CPU egy valós idejű operációs rendszert (RTOS) futtat, melynek feladata a bonyolult számítási feladatok elvégzése, vezérlés, feldolgozás és a kommunikációs protokollok megvalósítása a beágyazott rendszerünkben. Ilyen hibrid rendszerek a National Istruments (NI) cég RIO eszközei, melyek mérési, adatgyűjtési és vezérlési feladatok ellátására egyaránt alkalmasak. Programozásukra a LabVIEW grafikus fejlesztőeszköz használható.

A fent leírtakból kitűnik, hogy ez már nem a Neumann-elvű számítógépek kora. A gyors működés, az analóg jelek digitális feldolgozása, a kommunikáció gyors és megbízható működése, a párhuzamos utasítás végrehajtás, alacsony fogyasztás, a minél kisebb méret mind olyan követelmény mely már túlnőtt a PC-k világán.  

A PC-ket egyelőre még nem fenyegeti a kihalás veszélye, de a világon elérhető számítástechnikai képességek csak egy igen kis szeletét birtokolja. A számítástechnika egyre inkább alkalmazásokba, eszközökbe épül be. A beágyazott rendszerek tervezéséhez programozásához ma még elengedhetetlen a használatuk.

tm

Kapcsolódó linkek:

www.xilinx.com

www.adept.com

www.microchip.com

www.mikroe.com

hungary.ni.com

Kövess minket a facebookon is!

Kedves érettségizett tanulók!

Ajánljuk figyelmetekbe képzéseinket

erettsegizoknek

Áramkörépítő

Oszcilloszkóp

oszcilloszkop jel

LED kocka

ledkocka

Oldalainkat 17 vendég és 0 tag böngészi